Spring WebSocket + Google STT 구조 설계: 실시간 음성 인식 피드백 시스템 만들기 (1)

1. 들어가며

실시간 음성 인식 서비스를 만든다고 했을 때, 가장 먼저 떠오르는 건 "STT API"일지도 모른다.
하지만 정말 중요한 건 API를 언제 어떻게 호출하고,
사용자 음성을 실시간으로 전달하고,
그 결과를 사용자에게 다시 어떻게 돌려주는가 하는 데이터 흐름의 구조다.

이 글은 내가 발음 교정 서비스 SpeekSee에서
Google Streaming STT API를 Spring WebSocket으로 연결하면서
설계한 구조를 정리한 것이다.

특히 WebSocket 세션 관리, STT 비동기 응답 처리, 세션 context 구조화,
그리고 실제 서비스에서 발생할 수 있는 문제 해결 전략까지 기록해두었다.

나중에 비슷한 시스템을 다시 만들거나 확장할 때,
스스로에게 명확한 레퍼런스를 남기기 위한 글이기도 하다.

2. 전체 구조 개요: WebSocket + Google STT Streaming 연동 흐름

🧩 기본 아이디어

사용자의 음성을 실시간으로 인식하려면,

1. 클라이언트가 오디오 스트림을 서버에 전송하고,
2. 서버는 이를 Google STT의 스트리밍 API로 전달한 뒤,
3. 실시간 인식 결과를 다시 클라이언트에게 WebSocket으로 전송해야 한다.

이건 단순한 API 호출이 아니라,
상태가 유지되는 양방향 데이터 흐름 구조가 필요하다는 뜻이다.

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🔄 전체 흐름도

 

[Client Mic Input]
      ↓
[WebSocket 연결 (STT 전용)]
      ↓
[Spring WebSocket Server]
 ┌────────────────────────────┐
 │ SttSessionContext (세션별) │
 └────────────────────────────┘
      ↓
[Google STT Streaming API (gRPC)]
      ↓
[비동기 응답 수신 (ResponseObserver)]
      ↓
[WebSocketSession.sendMessage()]
      ↓
[Client 실시간 피드백 렌더링]

 

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📦 각 구성요소 설명

구성 요소설명

WebSocketSession	사용자의 브라우저에서 연결된 WebSocket 객체. 음성 chunk 수신 및 피드백 전송 담당
SttSessionContext	사용자별 세션 상태를 담는 객체. scriptId, memberId, streamController 등을 포함
GoogleStreamingSttClient	Google Cloud Speech-to-Text API와의 스트리밍 통신을 담당하는 클래스
ResponseObserver	STT 결과를 비동기로 수신하여, WebSocketSession에 전송하는 콜백 객체
SttSessionManager	전체 WebSocket 세션을 관리하는 매니저. 세션 생성/조회/삭제 책임

 

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💬 구조 설계 시 고려했던 점

• WebSocket은 상태 기반 → 사용자별 context 분리 필수
• Google STT API는 비동기 → 응답과 WebSocket 간 스레드 동기화 고려
• 예외/오류 상황에서 Stream 및 세션 정리 필요
• 동시에 여러 사용자가 접속할 수 있으므로 동시성 안전성 확보 (e.g. ConcurrentHashMap)

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🔐 인증은 어떻게?

WebSocket은 기본적으로 HTTP 필터를 타지 않기 때문에,
Sec-WebSocket-Protocol 헤더를 사용해 JWT 토큰을 전달하고,
HandshakeInterceptor에서 직접 토큰을 검증한다.

java

복사편집

String jwt = request.getHeader("Sec-WebSocket-Protocol"); // 검증 후 사용자 정보 세션 context에 저장

이 방식은 WebSocket 표준을 지키면서도 보안을 유지할 수 있는 방법이다

3. WebSocket 서버 구성 및 주요 클래스 설계

Spring Boot에서 WebSocket 서버를 구성하는 일 자체는 어렵지 않다.
중요한 건 “단순한 연결”이 아닌,
실시간 STT를 위한 세션 관리, 인증, 에러 복구 등을 설계하는 것이다.

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🧱 구성 클래스 개요

com._ithon.speeksee.domain.voicefeedback.streaming
├── controller
│   └── VoiceFeedbackWebSocketHandler.java       ← WebSocket 진입점
├── infra.session
│   └── SttSessionManager.java                   ← 세션 등록/삭제/조회 관리
├── model
│   └── SttSessionContext.java                   ← 사용자별 세션 상태 (context) 저장
├── infra
│   └── GoogleStreamingSttClient.java            ← Google STT 연결 및 스트리밍 처리
│   └── GoogleSttResponseObserver.java           ← STT 결과 수신 및 피드백 전송

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1️⃣ VoiceFeedbackWebSocketHandler

Spring WebSocket에서 TextWebSocketHandler 혹은 BinaryWebSocketHandler를 상속받아 사용한다.
우리는 실시간 오디오 스트림을 처리해야 하므로 BinaryMessage 기반 처리가 필요했다.

public class VoiceFeedbackWebSocketHandler extends BinaryWebSocketHandler {
    @Override
    public void afterConnectionEstablished(WebSocketSession session) {
        // 세션 context 생성 및 STT stream 시작
    }

    @Override
    public void handleBinaryMessage(WebSocketSession session, BinaryMessage message) {
        // 수신된 음성 chunk → Google STT API로 전송
    }

    @Override
    public void afterConnectionClosed(WebSocketSession session, CloseStatus status) {
        // 세션 및 stream 정리
    }
}

이 핸들러는 실제 오디오 스트림과 Google STT API를 연결하는 관문(Gateway) 역할을 한다.

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2️⃣ SttSessionContext

사용자마다 서로 다른 script를 읽고, 다른 타이밍에 말하며, 다른 세션 상태를 가진다.
따라서 아래와 같은 정보들을 담는 Context 객체를 따로 관리해야 했다:

public class SttSessionContext {
    private final Long memberId;
    private final Long scriptId;
    private final WebSocketSession session;
    private final GoogleStreamingSttClient sttClient;
    private StreamController streamController;
    private boolean finished;
    ...
}

✅ 이 context는 WebSocketSession ID를 기준으로 SttSessionManager가 관리한다.

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3️⃣ SttSessionManager

모든 WebSocket 연결을 추적하고 관리하는 중앙 관리자.

@Component
public class SttSessionManager {
    private final Map<String, SttSessionContext> sessionMap = new ConcurrentHashMap<>();

    public SttSessionContext startSession(WebSocketSession session, Long memberId, Long scriptId) {
        ...
    }

    public void removeSession(WebSocketSession session) {
        ...
    }

    public SttSessionContext getSession(WebSocketSession session) {
        ...
    }
}

이 구조는 세 가지 중요한 문제를 해결한다:

• 여러 사용자 동시 접속 → ConcurrentHashMap 기반 격리
• 세션 유실 or 연결 종료 → afterConnectionClosed에서 안전 정리
• Context 불일치 문제 → WebSocketSession ID 기반 식별

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4️⃣ GoogleStreamingSttClient & GoogleSttResponseObserver

• GoogleStreamingSttClient: Google Cloud의 StreamingRecognizeRequest를 보내는 역할
• GoogleSttResponseObserver: Google에서 보내주는 인식 결과(STT)를 받아 FE에 보내는 역할

class GoogleSttResponseObserver implements ResponseObserver<StreamingRecognizeResponse> {
    @Override
    public void onResponse(StreamingRecognizeResponse response) {
        // transcript → 분석 → 피드백 전송
    }

    @Override
    public void onError(Throwable t) {
        // WebSocket 오류 메시지 전송, 세션 종료
    }

    @Override
    public void onComplete() {
        // 학습 종료 알림 전송
    }
}

🔒 이 두 클래스는 STT와 WebSocket을 느슨하게 분리해, 테스트와 디버깅을 용이하게 만든다.

 

4. 세션 관리의 핵심 – SttSessionContext와 SttSessionManager 설계 원칙

WebSocket은 본질적으로 상태가 있는 프로토콜이다.
STT 스트리밍처럼 사용자의 컨텍스트를 유지해야 하는 기능에서는
세션별로 정확한 상태를 보존하고, 동시에 충돌 없이 처리하는 게 핵심 과제였다.

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🎯 목표

• 사용자마다 독립적인 세션 컨텍스트 유지
• 중복 연결 방지 및 세션 중복 사용 방지
• 세션 종료 시 리소스 누수 없이 정리
• Google STT와의 연결 상태를 WebSocket 세션과 동기화

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🧱 SttSessionContext: 세션의 모든 상태를 캡슐화

public class SttSessionContext {
    private final Long memberId;
    private final Long scriptId;
    private final WebSocketSession session;
    private final GoogleStreamingSttClient sttClient;
    private final Long sessionStartTime;
    private StreamController streamController;
    private boolean finished;
    
    // 기타 분석 상태들, 타이밍 정보 등
}

 

🔑 설계 원칙

원칙설명

단일 책임	STT 한 세션의 상태를 추상화 (scriptId, memberId, 진행상태 등)
쓰레드 안정성	streamController나 finished는 동시 접근 고려해 volatile 또는 동기화 필요
외부 의존 최소화	오직 하나의 WebSocketSession과 하나의 GoogleStreamingSttClient만 포함

 

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📦 SttSessionManager: 모든 세션의 생명주기 총괄

@Component
public class SttSessionManager {
    private final Map<String, SttSessionContext> sessionMap = new ConcurrentHashMap<>();

    public SttSessionContext startSession(WebSocketSession session, Long memberId, Long scriptId) {
        // 세션 중복 여부 확인
        // context 생성 및 등록
    }

    public void removeSession(WebSocketSession session) {
        // streamController 정리 + context 제거
    }

    public Optional<SttSessionContext> getSession(WebSocketSession session) {
        return Optional.ofNullable(sessionMap.get(session.getId()));
    }
}

✅ 유의한 구현 디테일

• ConcurrentHashMap으로 동시성 제어
• 세션 ID는 session.getId() 기준
• Google STT 연결 종료 시 → removeSession() 내부에서 onComplete() 또는 onError() 호출
• 비정상 종료 감지: afterConnectionClosed 또는 WebSocketHandlerDecorator 활용 가능

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🧨 트러블슈팅: 세션 충돌 / 중복 문제

사례 1. 브라우저 새로고침 시 세션 중복

• 증상: 이전 세션이 정리되지 않아 stream already open 오류 발생
• 해결: afterConnectionClosed()에서 removeSession() 강제 호출

사례 2. 응답 스레드에서 session.sendMessage() 시 예외

• 증상: IllegalStateException: TextMessage is not allowed in this state
• 원인: Google STT 응답이 비동기 스레드에서 발생 → WebSocketSession이 이미 닫힘
• 해결: SttSessionContext에 finished 플래그 추가 → 상태 체크 후 전송 시도

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🧠 회고

이 구조는 마치 “WebSocket 기반 STT 세션 가상머신”을 하나씩 띄우는 것과 같다.
세션 하나는 음성 데이터를 Google STT로 중계하고, 결과를 클라이언트로 리턴하며,
정해진 흐름 안에서 시작되고 종료되어야 한다.

결국 핵심은 **상태 관리(State Management)**였다.
언제 시작하고, 언제 종료되며, 언제 예외로 종료되는지를 명확하게 설계해야만
실시간 STT 시스템은 안정적으로 동작할 수 있다.